一种基于色散平坦光纤的Front-haul传输系统技术领域
本发明涉及一种光纤通信系统，具体涉及一种基于色散平坦光纤的Front-haul传
输系统，可应用于光纤通信、光学信息处理等领域。
背景技术
随着数据通信与多媒体业务需求的不断增加，移动通信飞速发展并不断满足人们
的通信需求；然而，现有的移动通信网络一般采用前端传输接口CPRI (Common Public
Radio Interface)或OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative)，在数据速
率、带宽、时延方面存在很大的局限性[1 Ericsson AB, Huawei Technologies Co. Ltd,
NEC Corporation, Alcatel Lucent, et al. Common Public Radio Interface (CPRI);
Interface Specification, (2013)； 2 OBSAI Reference Point 3 Specification,
Version 4.2 [R], OBSAI, (2010) ]；针对这种情况，中国移动通信研究院等单位提出了
下一代前传接口NGFI (Next Generation Front-haul Interface) [3 China mobile
research institute, et al. White Paper of Next Generation Front-haul
Interface，v1.0 (2015) ] 以满足第五代移动通信(5G)发展的需求；NGFI是指下一代无线
网络主设备中基带处理功能与远端射频处理功能之间的前传接口，提供了五种接口划分方
案，既可以采用模拟传输，又可采用数字传输技术以降低对系统参量要求，可灵活取舍，为
移动通信Front-haul网络的进一步研究提供了重要参考。NGFI中的无线云中心(RCC,
radio cloud center)集中点与远端射频系统(RRS, radio remote system)的单跨距传输
距离一般限于20km，考虑到我国幅员辽阔、海岸线绵长、岛屿众多、荒原沙漠和高山广袤等
地理环境的复杂性以及现代通信需求的迅猛增长，实现Front-haul长跨距光纤传输变得日
益迫切。
色散平坦光纤(DFF, dispersion flattened fiber)在通信波长范围内色散很小
并且色散平坦，既可以消除色散引起的单色信号畸变，又可以避免宽谱信号的色散失真；在
联合非线性效应产生超连续谱的情况下，DFF能够保证超连续谱的光谱范围更宽光谱分布
更加平坦[4 XU Y Z, YE H, LI H T, et al. Design of optimum supercontinuum
spectrum generation in a dispersion decreasing fiber. Optoelectron. Lett.
2015, 11 (3): 217-221]。 文献[5 Li Xin, Zheng Hongjun, Yu Huishan, et al. Sub-
picosecond chirped pulse propagation in concave-dispersion -flattened fibers.
Optoelectronics letters, 2012, 8(1): 048-051；6 Zheng Hongjun, Liu Shanliang,
Wu Chongqing, et al. Experimental study on pulse propagation characteristics
at normal dispersion region in dispersion flatted fibers, Optics & laser
technology, 2012, 44(4):763-766] 实验研究了DFF中的脉冲传播特性；文献[7 Hongjun
Zheng, Xin Li, Shanliang Liu, et al. Generation and transmission of a High-
bit-rate optical millimeter wave with an unrepeated long single-span using
equalization amplification. Optics Communications, 356(2015), 599–606 ] 实验
演示了10Gbps、40GHz光毫米波在近色散平坦光纤中长跨距均衡放大传输的良好特性。可
见，DFF是一种良好的传输介质，在光纤通信中有着重要的应用，可作为特殊应用场景下
Front-haul长跨距光纤传输介质的备选方案；目前还没有色散平坦光纤中开展Front-haul
长跨距传输的实验报道。
在网络直播、虚拟现实、4K视频逐渐普及的大环境下，用户对网络性能要求越来越
高；频谱效率高、抗噪声能力强的正交幅度调制（QAM, quadrature amplitude
modulation）受到了业界的广泛关注[8 Matt Mazurczyk, Spectral Shaping in Long
Haul Optical Coherent Systems With High Spectral Efficiency. Journal of
Lightwave Technology Vol. 32, Issue 16, pp. 2915-2924 (2014)；9 Hongxiang
Wang, Gen Li, and Yuefeng Ji. Phase and amplitude regeneration of a
rectangular 8-QAM in a phase-sensitive amplifier with low-order harmonics.
Applied Optics，Vol. 56, Issue 3, pp. 506-509 (2017)]。QAM调制方式是以载波信号
的幅度和相位来代表不同的数字比特编码，把多进制与正交载波技术结合起来，进一步提
高频谱利用率，同时增强抗干扰性能保证了误码率，此外还有高功率谱密度和低计算复杂
度等优点；QAM作为重要的调制格式倍受关注，其传输实验大都限于标准单模光纤（SSMF）和
脉冲控制的标准单模光纤环路仪中，单跨距较小；同时传输中有声光调制切谱、多次光放
大、滤波、信号整形、色散光补偿、色散电补偿和去噪声等复杂处理环节 [10 Xiaobo Meng,
Weiqin Zhou, et al. Long-haul 112 Gbit/s coherent polarization multiplexing
QPSK transmission experiment on G.652 fiber with the improved DSP unit [J].
OPTIK, 2013; 124 (18): 3665；11 Tingting Zhang, Dan Wang, et al. 396.5Gb/s,
7.93b/s/Hz Hybrid 16-32QAM Transmission over 480km SSMF. OSA Technical Digest
(Optical Society of America, 2014), paper SM3E.3；12 Cheng Zhang, Zhennan
Zheng, et al. 2.166Tb/s, 7.88b/s/Hz, PDM-64-QAM Nyquist-WDM Transmission over
155km SSMF using Monolithic Optical Frequency Comb Generator. OSA Technical
Digest (Optical Society of America, 2015), paper SpM3E.4]。目前，尚未见QAM信号
在色散平坦光纤中的传输实验报道；同时，业界通信需求迫切期望有比SSMF特性更好的传
输系统以实现QAM信号更长单跨距传输。
发明内容
在国家自然科学基金 (编号61671227、61431009 和 61501213）、山东省自然科学
基金（ZR2011FM015）、“泰山学者”建设工程专项经费支持下，本发明提出了一种基于色散平
坦光纤的Front-haul传输系统，系统传输速率为56Gbps、调制格式为4QAM；在该系统中高速
率4QAM信号的传输特性明显优于在非零色散位移光纤（NZDSF）和SSMF链路系统的传输特
性；该系统是Front-haul长跨距传输的最优备选方案，为特殊应用场景下移动通信Front-
haul长跨距传输提供新思路和实验保障。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
针对特殊应用场景下移动通信Front-haul长跨距传输迫切需求，本发明提出了一种基
于色散平坦光纤的Front-haul传输系统，系统传输速率为56Gbps、调制格式为4QAM；该系统
采取的技术方案：该系统包括QAM信号发射端、光纤传输链路和QAM接收检测端3个功能模
块；其中，QAM信号发射端包括比特模式发生器SHF12104A、数模转换器SHF612A、电放大器
SHF806、I/Q调制器、激光器EXFO IQS-636以及数模转换器SHF612A、电放大器SHF806和I/Q
调制器的直流偏置DC Bias；光纤传输链路包括50：50分路器、DSA8300示波器、可调光放大
器EDFA、DFF传输链路；QAM接收检测端包括本振激光器、光正交混合器、平衡接收光电二极
管、模数转换器、数据预处理器、载波恢复处理器、滤波器、均衡器；在QAM信号发射端，比特
模式发生器SHF12104A产生两路28Gbps高速率二进制数字伪随机码信号， 该信号分别进入
两个数模转换器SHF612A，进行延迟和电平分阶处理，得到I路、Q路电信号；I路、Q路电信号
分别经两个电放大器SHF806放大后进入I/Q调制器；激光器EXFO IQS-636发出的波长
1550.31nm、功率15dBm的连续激光进入I/Q调制器；在I/Q调制器中，放大后的I路、Q路电信
号分别调制连续激光，得到56Gbps 、4QAM调制光信号（该信号本质与QPSK相同）；其中数模
转换器SHF612A、电放大器SHF806、I/Q调制器都需要调整直流偏置到合适状态，特别是需要
仔细、反复调节I/Q调制器的三个直流偏置；接下来，4QAM调制光信号进入光纤传输链路；
4QAM调制光信号经50:50分路器分路，其中一路信号接DSA8300示波器，观察4QAM调制光信
号眼图；调节I/Q调制器的三个直流偏置可得到良好的4QAM眼图；另一路4QAM调制光信号进
入光功率可调光放大器EDFA进行光放大，确保线性传输所需的合适光功率，然后经过DFF传
输链路单跨距传输；之后进入QAM接收检测端；在QAM接收检测端，经DFF传输链路传输后的
4QAM信号和本振激光器产生的信号共同进入光正交混合器，接着经平衡接收光电二极管相
干接收，然后经模数转换器进行与发射端相反的变换，再经数据预处理器、载波恢复处理
器、滤波器和均衡器恢复出信源二进制数据，分析4QAM信号星座图、误差矢量幅度（EVM）、Q-
Factor、眼图、误码率（BER）变化情况；可以用光谱分析仪测量分析4QAM调制光信号线性传
输前后的光谱情况。
本发明的有益效果如下：
1. 在线性传输情况下，在本发明所提出的基于色散平坦光纤的Front-haul传输系统
中高速率、4QAM信号的传输特性优于在非零色散位移光纤（NZDSF）和SSMF系统的传输特性；
2. 传输系统链路越长越明显；
3. 本发明所提出的系统是Front-haul长跨距传输的最优备选方案，为特殊应用场景
下移动通信Front-haul长跨距传输提供了新思路和实验保障。
附图说明
图1是本发明一种基于色散平坦光纤的Front-haul传输系统装置图；该系统分为3
个功能模块：1是QAM信号发射端，2是光纤传输链路，3是QAM接收检测端；其中，QAM信号发射
端包括比特模式发生器SHF12104A（1）、数模转换器SHF612A（2）（3）、电放大器SHF806（4）
（5）、I/Q调制器（6）、激光器EXFO IQS-636（7）以及数模转换器SHF612A、电放大器SHF806和
I/Q调制器的直流偏置DC Bias（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）；光传输链路包括50：50分路
器（15）、DSA8300示波器（16）、可调光放大器EDFA（17）、DFF传输链路（18）；QAM接收检测端包
括本振激光器（19）、光正交混合器（20）、平衡接收光电二极管（21）（22）（23）（24）、模数转换
器（25）（26）（27）（28）、数据预处理器（29）、载波恢复处理器（30）、滤波器（31）、均衡器（32）；
图2是在不同情况下的高速率4QAM信号星座图；图2(a)是背靠背的情况下的4QAM星座
图，图2(b)-(d)则分别是经25km的DFF、NZDSF和SSMF传输后所得到的4QAM星座图；
图3是4QAM信号经光纤线性传输后的EVM随输入光功率的变化，图3中带圆形、正方形的
实线分别对应50km DFF和50km NZDSF情况；
图4是4QAM信号经光纤线性传输后的Q-Factor随输入光功率的变化，图中带圆形、正方
形的实线分别对应50km DFF和50km NZDSF情况。
具体实施方式
下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不限于此。
实施例1 图1是基于色散平坦光纤的Front-haul传输系统装置图，该系统分为3
个功能模块：1是QAM信号发射端，2是光纤传输链路，3是QAM接收检测端；其中，QAM信号发射
端包括比特模式发生器SHF12104A（1）、数模转换器SHF612A（2）（3）、电放大器SHF806（4）
（5）、I/Q调制器（6）、激光器EXFO IQS-636（7）数模转换器SHF612A、电放大器SHF806和I/Q调
制器的直流偏置DC Bias（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）；光传输链路包括50：50分路器
（15）、DSA8300示波器（16）、可调光放大器EDFA（17）、DFF传输链路（18）；QAM接收检测端包括
本振激光器（19）、光正交混合器（20）、平衡接收光电二极管（21）（22）（23）（24）、模数转换器
（25）（26）（27）（28）、数据预处理器（29）、载波恢复处理器（30）、滤波器（31）、均衡器（32）。在
QAM信号发射端，比特模式发生器SHF12104A（1）产生两路28Gbps高速率二进制数字伪随机
码信号， 该信号分别进入两个数模转换器SHF612A（2）（3），进行延迟和电平分阶处理，得到
I路、Q路电信号；其中数模转换器的控制软件中，设置信号对应的接口为D3，电平数为2，振
幅为200mV；比特模式发生器控制软件中，选通CH4和CH6伪随机码数字信号；I路、Q路电信号
经电放大器SHF806（4）（5）放大后分别进入I/Q调制器（6）；激光器EXFO IQS-636（7）发出的
波长1550.31nm、功率15dBm的连续激光进入I/Q调制器（6）；在I/Q调制器（6）中，放大后的I
路、Q路电信号分别调制连续激光，得到56Gbps 、4QAM调制光信号（该信号本质与QPSK相
同）；其中数模转换器SHF612A（2）（3）、电放大器SHF806（4）（5）、I/Q调制器（6）都需要调整直
流偏置（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）到合适状态，特别是需要仔细、反复调节I/Q调制器
（6）的三个直流偏置（12）（13）（14）；接下来，4QAM调制光信号进入光纤传输链路；4QAM调制
光信号经50:50分路器（15）分路，其中一路信号接DSA8300示波器（16），观察4QAM调制光信
号眼图；调节I/Q调制器（6）的三个直流偏置（12）（13）（14）可得到良好的4QAM眼图；另一路
4QAM调制光信号进入光功率可调光放大器EDFA（17）进行光放大，确保线性传输所需的合适
光功率，然后经过DFF传输链路（18）单跨距传输；之后进入QAM接收检测端；在QAM接收检测
端，经DFF传输链路（18）传输后的4QAM信号和本振激光器（19）产生的信号共同进入光正交
混合器（20），接着经平衡接收光电二极管（21）（22）（23）（24）相干接收，然后经模数转换器
（25）（26）（27）（28）进行与发射端相反的变换，再经数据预处理器（29）、载波恢复处理器
（30）、滤波器（31）和均衡器（32）恢复出信源二进制数据，分析4QAM星座图、误差矢量幅度
（EVM）、Q-Factor、眼图、误码率（BER）变化情况。
图2是在不同情况下的高速率4QAM信号星座图；图2(a)是背靠背的情况下的4QAM
星座图，图2(b)-(d)则分别是经25km的DFF、NZDSF和SSMF传输后所得到的4QAM星座图。在平
均光功率为-0.95dBm的相同输入条件下，信号经DFF、NZDSF和SSMF进行了线性传输(此情况
为I/Q调制器中产生的56Gbps 、4QAM调制光信号直接进入DFF传输链路线性传输，未经过光
功率可调光放大器EDFA进行光放大)。从图2可得到，在线性传输25km距离时，4QAM信号经
DFF和NZDSF传输后得到星座图的点均比经SSMF传输后的要紧密集中很多，即传输性能好很
多；QAM信号经DFF传输后得到星座图比经NZDSF传输后的的星座图特性要好；背靠背的情况
下的4QAM 信号的误差矢量幅度（EVM, error vector magnitude）为7.22%，信号经三种类
型光纤线性传输后测得的输出功率分别为-8.95dB、-7.36dB和-7.16dB，EVM分别为9.75%、
10.89% 和60.62%。EVM的值越大，对应的星座图中的数据点越离散，系统性能越差；反之，
EVM越小，星座图特性越好。结果表明，在线性传输情况下，输入光功率相同、输出功率相近，
DFF、NZDSF和SSMF的光纤色散依次增大，光纤色散对高速率4QAM 信号的影响占主导地位；
高速率4QAM 信号在DFF系统传输的星座图特性明显优于在NZDSF和SSMF系统传输情况。因
4QAM 信号经SSMF传输后的星座图特性很差，下面的讨论中不再涉及4QAM 信号在SSMF传输
情况。
图3是4QAM信号经光纤线性传输后的EVM随输入光功率的变化。图3中带圆形、正方
形的实线分别对应50km DFF和50km NZDSF情况（传输前，信号经过光功率可调光放大器
EDFA进行了光放大）。由图3可得，在线性传输情况下，随着输入光功率增加，经DFF和NZDSF
传输后的EVM分别从18.37%降至12.30%和从21.01%降至16.05%，即经DFF传输后的4QAM信号
EVM优于经NZDSF传输后情况的 3-4%； EVM越小表明信号特性越好。
图4是4QAM信号经光纤线性传输后的Q-Factor随输入光功率的变化。图中带圆形、
正方形的实线分别对应50km DFF和50km NZDSF情况（传输前，信号经过光功率可调光放大
器EDFA进行了光放大）。由图4可得，经DFF和NZDSF传输后的4QAM信号Q-Factor随着输入光
功率增加而增加，且对应NZDSF的Q-Factor变化慢；则经DFF传输后的信号Q-Factor要优于
对应NZDSF的情况。
总之，本发明提出了一种基于色散平坦光纤的Front-haul传输系统，实现了速率
为56Gbps、调制格式为4QAM的信号传输。在线性传输情况下，该系统中高速率、4QAM信号的
传输特性优于在NZDSF和SSMF系统的传输特性；传输系统链路越长越明显；该系统传输高速
率4QAM信号的性能最优，是Front-haul长跨距传输的最优备选方案，为特殊应用场景下移
动通信Front-haul长跨距传输提供了新思路和实验保障。
应当指出的是，具体实施方式只是本发明比较有代表性的例子，显然本发明的技
术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，以本发明所明确公
开的或根据文件的书面描述毫无异议的得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。